Wenn Sie schon einmal einen Sensor, ein Display oder ein Breakout-Board mit einem Arduino, einem ESP32 oder einem Raspberry Pi verbunden haben, sind Sie auf die Buchstaben I2C gestoßen.
Auf den ersten Blick mag es viel erscheinen. Es gibt Pins namens SDA und SCL, jedes Gerät hat eine Adresse, und mehrere Module teilen sich dieselben zwei Leitungen. Die zugrunde liegende Idee ist jedoch einfach, und sobald man sie verstanden hat, erschließt sich der Rest des Protokolls von selbst.
I2C ermöglicht es einer Platine, über zwei Signalleitungen mit Sensoren, Displays, Uhren, Speicherchips und IO-Expandern zu kommunizieren. Sie geben nicht jedem Modul einen eigenen Satz von Pins. Sie alle befinden sich auf demselben Paar, und die Platine wählt durch den Namen aus, mit welchem Modul sie kommunizieren möchte.
Was ist I2C?
I2C steht für Inter-Integrated Circuit, manchmal auch I²C geschrieben. Es ist ein Kommunikationsprotokoll, das es Chips auf derselben Platine oder Modulen am Ende eines Kabels ermöglicht, Daten über zwei gemeinsam genutzte Leitungen auszutauschen.
In einem Maker-Projekt ist der Controller ein Arduino, ein ESP32, ein Raspberry Pi oder ein anderes Entwicklungsboard. Die Geräte am anderen Ende sind Sensoren, Displays, Echtzeituhren, EEPROMs, ADCs und IO-Expander.
Der Grund, warum es überall zu finden ist, ist die Verkabelung. Ein vierzeiliges SPI-Display plus ein vierzeiliger SPI-Sensor kosten Sie acht Pins. Beide Teile auf I2C kosten Sie zwei, und das dritte und vierte Gerät kosten Sie nichts extra. Auf einer Platine mit fünfzehn nutzbaren Pins entscheidet dieser Unterschied, was Sie bauen können.
Was bedeuten SDA und SCL?
I2C verwendet zwei Signalleitungen, und jedes Gerät am Bus ist mit beiden verbunden.
SDA ist Serial Data. Es überträgt die tatsächlichen Informationen, bitweise, in beide Richtungen.
SCL ist Serial Clock. Es überträgt das Timing. Der Controller steuert es, und jedes Bit auf SDA wird an einer Taktflanke gelesen, so dass alle Geräte synchron bleiben.
SDA überträgt die Nachricht und SCL gibt den Rhythmus vor. Beide Leitungen benötigen außerdem Strom und Masse, weshalb eine I2C-Verbindung in der Praxis vier Leitungen hat, obwohl nur zwei davon Signale übertragen.
Wie funktioniert die I2C-Kommunikation?
Ein einzelner Austausch folgt jedes Mal denselben fünf Schritten:
- Der Controller zieht SDA auf Low, während SCL noch High ist. Das ist die Startbedingung und weist jedes Gerät am Bus an, aufmerksam zu sein.
- Der Controller sendet die Adresse des gewünschten Geräts, plus ein Bit, das angibt, ob er lesen oder schreiben möchte.
- Das Gerät mit dieser Adresse antwortet mit einem Bestätigungsbit. Die übrigen ignorieren den Bus wieder.
- Datenbytes bewegen sich in die vom Controller gewünschte Richtung, wobei jedes bestätigt wird.
- Der Controller gibt SDA frei, während SCL High ist. Das ist die Stoppbedingung, und der Bus ist wieder frei.
Nichts am Bus spricht, es sei denn, es wird angesprochen. Das ist der ganze Trick, wie man zwei Leitungen zwischen einem Dutzend Teilen teilt.
Was ist eine I2C-Adresse?
Eine I2C-Adresse ist der Name des Geräts am Bus. Standard-I2C verwendet 7 Bit, es gibt also 128 mögliche Adressen, und eine Handvoll davon sind reserviert. Die Adresse wird vom Chiphersteller festgelegt und ist im Datenblatt als Hexadezimalzahl wie 0x27 oder 0x51 angegeben.
Die meisten Chips ermöglichen es Ihnen, einen Teil der Adresse, normalerweise die unteren zwei oder drei Bits, mit Lötjumpern oder einem Adresspin zu ändern. Das 16x2 I2C-LCD ist ein klares Beispiel: Die oberen vier Bits sind fest auf 0100 eingestellt, und die Jumper A2, A1 und A0 wählen den Rest aus.
Zwei Geräte mit derselben Adresse am selben Bus ist der Fehler, der Ihnen früher oder später begegnen wird. Beide antworten gleichzeitig, die Daten kommen als Müll zurück, und an der Verkabelung scheint nichts falsch zu sein. Die Lösung besteht darin, eine Adresse mit den Jumpern zu ändern oder die Teile auf zwei Busse aufzuteilen.
Wenn ein Projekt nicht mehr reagiert, führen Sie zuerst einen I2C-Scanner-Sketch aus. Er scannt alle 128 Adressen und gibt aus, was antwortet. Wenn Ihr Sensor nicht in der Liste steht, liegt das Problem an der Stromversorgung oder der Verkabelung, nicht an Ihrem Code.
Warum I2C für Arduino- und ESP32-Projekte nützlich ist
Die praktischen Vorteile summieren sich schnell:
- Zwei Pins für den gesamten Bus, egal wie viele Geräte daran angeschlossen sind.
- Das Hinzufügen eines Moduls ist eine Verkabelungsänderung von null Pins und ein paar Zeilen Code.
- Fast jeder brauchbare Sensor und jedes Display verfügt über eine gepflegte Arduino-Bibliothek.
- Es funktioniert über ein Kabel, so dass der Sensor von der Platine entfernt sitzen kann.
- Es eignet sich für kleine Bauten, bei denen die Pins lange vor dem Platz ausgehen.
Ein IO-Expander ist die deutlichste Veranschaulichung. Es ist ein I2C-Chip, dessen einzige Aufgabe es ist, Ihnen mehr Pins zur Verfügung zu stellen, so dass zwei Pins auf Ihrer Platine zu sechzehn auf dem Expander werden. Tasten, LEDs und Relais, die Ihre GPIO belegt hätten, wandern alle auf den Bus.
Warum Qwiic-Anschlüsse I2C einfacher machen
Die einfache I2C-Verkabelung bedeutet vier Jumperkabel pro Modul: SDA, SCL, Strom und Masse. Wenn eines davon falsch angeschlossen ist, bleibt das Modul stumm oder, schlimmer noch, wird warm. Multiplizieren Sie das mit vier Sensoren auf einem Steckbrett, und die meiste Ihrer Fehlersuche ist Verkabelung, nicht Code.
Qwiic ersetzt diese vier Leitungen durch ein kodiertes vierpoliges Kabel. Es passt nur in einer Richtung, die Pin-Belegung ist bei jedem Board, das es verwendet, fest, und die Anschlüsse lassen sich kaskadieren, so dass der zweite Sensor in den ersten und nicht zurück in das Board gesteckt wird.
Nichts davon ändert das Protokoll. Dieselben zwei Signale laufen über dieselben zwei Leiter, und ein Qwiic-Sensor und ein jumperverdrahteter Sensor sehen für Ihren Code identisch aus. Was sich ändert, ist die Anzahl der Möglichkeiten, Fehler zu machen. Jedes gelötete Breakout verfügt über den Anschluss, und der Leitfaden zum Qwiic-Ökosystem behandelt, was sonst noch darin enthalten ist.
I2C mit Arduino, ESP32 und Raspberry Pi
Alle drei lesen dieselben I2C-Teile. Was sich ändert, sind die Pins, die Spannung und die umgebende Software. Wenn Sie sich noch zwischen ihnen entscheiden, erläutert Arduino vs. Raspberry Pi vs. ESP32 die Kompromisse.
I2C mit Arduino
Arduino-Boards verwalten I2C über die integrierte Wire-Bibliothek. Bei einem Uno oder einem anderen ATmega328-Board sind die Pins fest: A4 ist SDA und A5 ist SCL. Rufen Sie Wire.begin() im Setup auf, und die Gerätebibliothek erledigt den Rest.
Zwei Fehler verursachen die meisten Anfängerprobleme. Der erste ist die Verkabelung zu den falschen Pins, da I2C nicht an den Pins mit den Bezeichnungen SDA und SCL bei jeder Board-Variante liegt. Der zweite ist das Belassen der Adresse bei der Standardeinstellung der Bibliothek, wenn Ihr Modul eine andere hat.
I2C mit ESP32
Die Pin-Belegung des ESP32 ist flexibel. Die meisten Cores verwenden standardmäßig GPIO 21 für SDA und GPIO 22 für SCL, aber Sie können Ihr eigenes Paar an Wire.begin(sda, scl) übergeben und den Bus dorthin leiten, wo das Layout es benötigt. Neuere Chips wie der ESP32-C6 verwenden andere Standardwerte, überprüfen Sie daher die Pinbelegung des Boards, anstatt ein Tutorial zu kopieren.
Der Grund, warum man zu einem ESP32 greift, ist, was nach dem Auslesen passiert. WLAN ist auf dem Chip, sodass ein Sensorwert direkt an Home Assistant, einen MQTT-Broker oder ein Web-Dashboard gesendet werden kann. Unsere ESP32-Projekte für Anfänger-Übersicht enthält funktionierende Beispiele dafür.
ESP32-Pins haben 3,3 V. Die meisten I2C-Breakouts funktionieren problemlos mit beiden Spannungen, aber ein 5-V-Modul auf einer 3,3-V-Platine muss vor dem Anschließen überprüft werden.
I2C mit Raspberry Pi
Beim Raspberry Pi ist I2C standardmäßig deaktiviert. Aktivieren Sie es in raspi-config, dann listet i2cdetect -y 1 alles auf dem Bus auf, was dieselbe Aufgabe ist, die ein Arduino-Scanner-Sketch erledigt. SDA ist an physischem Pin 3 und SCL an Pin 5.
Ein Pi lohnt sich, wenn die Messwerte irgendwo gespeichert werden müssen. Er betreibt eine Datenbank, ein Grafana-Dashboard oder einen lokalen Server parallel zur Sensorschleife, was ein Mikrocontroller nicht kann. Die Pi-GPIO ist ausschließlich 3,3 V, ohne Toleranz für 5 V, daher ist dies die Plattform, auf der Logikpegel tatsächlich eine Rolle spielen.
I2C vs. SPI vs. UART
| Protokoll | Leitungen | Typische Geschwindigkeit | Am besten für | Hauptvorteil |
|---|---|---|---|---|
| I2C | 2 Signalleitungen, geteilt | 100 kHz bis 400 kHz | Sensoren, Zeichen- und kleine Grafikdisplays, RTC-Module, IO-Expander | Viele Geräte an denselben zwei Pins |
| SPI | 4 Leitungen, plus ein Chip-Select pro Gerät | Mehrere MHz und höher | Farbdisplays, SD-Karten, Flash-Speicher, hochauflösende Sensoren | Viel schneller |
| UART | 2 Signalleitungen, Punkt-zu-Punkt | Typischerweise 9600 bis 115200 Baud | GPS-Module, Funkgeräte, Board-zu-Board-Verbindungen | Keine Adressierung und keine Taktleitung, die man falsch machen kann |
Wählen Sie I2C, wenn Sie mehrere langsame Geräte und wenige freie Pins haben. Wählen Sie SPI, wenn ein Gerät viele Daten übertragen muss, wie z.B. ein Farbdisplay, das einen Frame aktualisiert. Wählen Sie UART, wenn genau zwei Dinge einen Strom von Bytes austauschen müssen, weshalb es fast jedes GPS-Modul verwendet.
Was sind Pull-up-Widerstände bei I2C?
I2C-Geräte ziehen ihre Leitungen niemals auf High. Sie können sie nur auf Low ziehen oder loslassen, was es sicher macht, dass ein Dutzend Chips eine Leitung teilen können: Zwei, die gleichzeitig sprechen, können keine Stromversorgung kurzschließen. Etwas muss die Leitung wieder hochziehen, und das ist der Pull-up-Widerstand.
Die meisten Breakout-Boards enthalten ihre eigenen Pull-ups, so dass ein erstes Projekt normalerweise ohne zusätzliche Komponenten funktioniert. Die Schwierigkeit entsteht beim vierten oder fünften Modul: Diese Widerstände liegen parallel, und genug davon parallel ziehen den Bus herunter, bis nichts mehr eine Leitung richtig freigeben kann. Boards, die dies erwarten, legen die Pull-ups auf Lötjumper, damit Sie sie abschneiden können.
Wenn ein I2C-Projekt unzuverlässig wird, arbeiten Sie in dieser Reihenfolge die Pull-ups, Kabellänge, Versorgungsspannung und doppelte Adressen ab. Lange Leitungen sind die andere häufige Ursache: Nach etwa einem Meter rundet die Kapazität des Kabels die Flanken ab, und die Messwerte beginnen auszufallen. Ein Bus-Extender behebt das richtig, anstatt die Taktrate zu senken und zu hoffen.
Gängige I2C-Geräte und -Module
| Modultyp | Funktion | Beispielprojekt |
|---|---|---|
| Temperatur- und Feuchtigkeitssensor | Misst Lufttemperatur und Feuchtigkeit | Wetterstation |
| RTC-Modul | Hält genaue Zeit auch bei Stromausfällen | Digitale Uhr oder Datenlogger |
| LCD-Anzeige | Zeigt Text und Werte an | Sensordashboard |
| IO-Expander | Fügt sechzehn Eingangs- und Ausgangspins hinzu | Tastenfeld oder Relaissteuerung |
| Lichtsensor | Misst Helligkeit | Automatisch dimmendes Display |
| Luftqualitätssensor | Misst CO₂ oder flüchtige organische Verbindungen | Raumklimamonitor |
| Touch-Controller | Verwandelt eine Oberfläche in eine Eingabe | Smartes Bedienfeld |
| E-Paper-Display | Zeigt Informationen an, ohne Strom zum Halten zu verbrauchen | Kalender oder Dashboard |
Die letzte Zeile ist einen Hinweis wert. Das E-Paper-Panel selbst ist kein I2C-Gerät, aber der Touch-Controller, die RTC und die Sensoren um es herum sind es, weshalb ein E-Paper-Display zum Frontend eines I2C-Projekts wird.
I2C-Projektideen für Anfänger
1. I2C LCD-Temperaturanzeige
Lesen Sie einen Temperatursensor aus und zeigen Sie den Wert auf einem 16x2 LCD an. Der Sensor muss nicht I2C-fähig sein, damit dies funktioniert, und der DS18B20 ist ein Ein-Draht-Sensor, aber das Display spart Ihnen sechs Pins gegenüber einem parallelen LCD. Es ist der kürzeste Weg von einer Zahl im seriellen Monitor zu einer Zahl auf einem Bildschirm.
2. Echtzeit-Uhr-Projekt
Bauen Sie eine Uhr oder fügen Sie Zeitstempel zu einem Datenlogger hinzu. Alles, was auf millis() basiert, driftet um Minuten pro Tag und beginnt nach einem Stromausfall wieder bei Null, sodass ein Log ohne RTC keine brauchbaren Zeiten enthält.
3. ESP32 Smart Home Sensor
Verbinden Sie einen oder mehrere I2C-Sensoren mit einem ESP32 und veröffentlichen Sie die Messwerte in Home Assistant oder einem MQTT-Broker. Dies ist das Projekt, bei dem sich der Zweidraht-Bus auszahlt, da das Hinzufügen eines zweiten und dritten Sensors die Verkabelung überhaupt nicht ändert.
4. IO-Expander-Tastenfeld
Verdrahten Sie acht Tasten und acht LEDs mit einem Expander statt mit dem Board. Zwei Pins tragen das Ganze, und der Code liest ein Register anstatt sechzehn Eingänge.
5. E-Paper-Sensor-Dashboard
Sammeln Sie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftqualität und Zeit über I2C und zeichnen Sie alles auf einer Inkplate. E-Paper ist dafür geeignet, da das Panel nur Strom verbraucht, wenn sich das Bild ändert, so dass die Zahlen monatelang an einer Wand sitzen können. Wenn Home Assistant bereits in Ihrem Haus läuft, behandelt E-Paper-Displays für Home Assistant-Dashboards diese Einrichtung.
Warum Soldered ein guter Ausgangspunkt für I2C-Projekte ist
I2C lohnt sich frühzeitig zu lernen, da es in fast jedem Projekt jenseits der blinkenden LED auftaucht. Sobald SDA, SCL, Adressen und der gemeinsam genutzte Bus verstanden sind, hört ein Datenblatt auf, eine Textwand zu sein, und wird zu einer Liste von Registern, die Sie lesen können.
Soldered verkauft die Platinen, Sensoren, Displays und Kits dafür, die so gebaut sind, dass sie zusammenarbeiten. Jedes Breakout verfügt über einen Qwiic-Anschluss und eine gepflegte Arduino-Bibliothek, so dass ein neuer Sensor ein Kabel und ein Beispiel-Sketch ist. Beginnen Sie mit einem RTC oder einem LCD, fügen Sie einen Sensor hinzu, wenn Sie etwas messen möchten, und stellen Sie eine Inkplate davor, wenn jemand anderes als Sie die Zahlen lesen muss.
Häufig gestellte Fragen
Was ist I2C?
I2C ist ein Kommunikationsprotokoll, das es Geräten ermöglicht, über zwei gemeinsam genutzte Signalleitungen, SDA und SCL, zu kommunizieren. Es wird für Sensoren, Displays, RTC-Module, IO-Expander und die meisten Breakout-Boards verwendet.
Wofür steht I2C?
Inter-Integrated Circuit. Es wird auch I²C geschrieben und entweder "Eye squared see" oder "Eye two see" ausgesprochen.
Was sind SDA und SCL?
SDA ist Serial Data und überträgt die Informationen. SCL ist Serial Clock und gibt das Timing vor, sodass jedes Gerät jedes Bit im selben Moment liest.
Wie funktioniert I2C?
Der Controller sendet eine Startbedingung, dann die Adresse des gewünschten Geräts. Nur das Gerät mit dieser Adresse antwortet. Daten bewegen sich in beide Richtungen, und eine Stoppbedingung gibt den Bus für den nächsten Austausch frei.
Was ist eine I2C-Adresse?
Ein 7-Bit-Identifikator, der einem Gerät am Bus mitteilt, zu reagieren, und den anderen, still zu bleiben. Er wird vom Chiphersteller festgelegt, und die meisten Module ermöglichen es Ihnen, die niedrigsten Bits mit Jumpern zu ändern, sodass Sie mehrere des gleichen Teils betreiben können.
Kann Arduino I2C verwenden?
Ja, über die Wire-Bibliothek. Bei einem Uno sind die Pins A4 für SDA und A5 für SCL.
Kann ESP32 I2C verwenden?
Ja, und die Pins sind konfigurierbar. Die meisten Cores verwenden standardmäßig GPIO 21 und GPIO 22, aber Sie können Ihr eigenes Paar an Wire.begin() übergeben.
Kann Raspberry Pi I2C verwenden?
Ja, sobald Sie es in raspi-config aktivieren. Verwenden Sie i2cdetect -y 1, um aufzulisten, was verbunden ist.
Was ist der Unterschied zwischen I2C und SPI?
I2C verwendet zwei gemeinsam genutzte Leitungen und Adressen, um ein Gerät auszuwählen. SPI verwendet vier Leitungen plus eine Chip-Select-Leitung pro Gerät und ist um ein Vielfaches schneller. I2C eignet sich für Sensoren und kleine Displays, SPI für Farbdisplays und Speicher.
Was ist der Unterschied zwischen I2C und UART?
I2C ist ein Bus mit Adressierung, sodass ein Controller viele Geräte erreichen kann. UART ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen genau zwei Geräten, ohne Adressierung und ohne gemeinsamen Takt.
Warum benötigt I2C Pull-up-Widerstände?
I2C-Geräte können eine Leitung nur auf Low ziehen, niemals auf High treiben. Daher muss ein Widerstand sie in den Ruhezustand zurückversetzen. Die meisten Breakout-Boards enthalten eigene Widerstände, aber bei mehreren Modulen an einem Bus kann der parallelgeschaltete Widerstand so gering werden, dass dies zu Problemen führt.
Wie viele Geräte kann ich an einen I2C-Bus anschließen?
Theoretisch 112 nutzbare Adressen, und in der Praxis gehen Ihnen zuerst andere Dinge aus. Die eigentlichen Grenzen sind doppelte Adressen und die gesamte Kabelkapazität, nicht der Adressraum.
Welche Projekte kann ich mit I2C realisieren?
Temperaturanzeigen, Uhren, Datenlogger, Smart-Home-Sensoren, Wetterstationen, Tastenfelder, E-Paper-Dashboards und Sensorüberwachungssysteme.
